Синтетические остеотропные материалы для замещения костных дефектов в стоматологической практике. Часть 1
Dr. Shterenberg А., к.м.н. B.Sc. Ph.D.,
практикующий хирург-стоматолог СНКЦ «Стамил»,
консультант и лектор компании «Стамил.Ру»
На сегодняшний день в современной хирургической стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, пародонтологии, имплантологии для замещения и реконструкции костных дефектов используются различные остеотропные материалы.
Все эти материалы могут быть разделены на пять групп, исходя из источника их получения:
• аутогенные (донор – сам пациент);
• аллогенные (донор – другой человек);
• ксеногенные (донор – животное);
• аллопластические – полученные из природных минералов ( кораллы и т.п.);
• синтетические – на основе солей кальция и фосфора и других соединений.
Существуют четыре основные характеристики, которые должен демонстрировать любой костьзамещающий материал, чтобы считаться работоспособным. Эти характеристики представлены на Рис. 1.
1 – остеоинтеграция – способность к химическому соединению с поверхностью имплантата или костной стенкой дефекта без вмешательства соединительной ткани;
2 – остеокондуктивность – способность обеспечивать формирование и рост костной ткани на своей поверхности;
3 – остеоиндуктивность – способность вызывать дифференцирование потенциальных мезенхимных клеток из окружающих тканей для образования остеобластов;
4 – остеогенез – способность формирования остеобластами новой костной матрицы в присутствии подсаженного материала.
Цель настоящей статьи – дать сравнительную характеристику используемых сегодня в стоматологической практике костьзамещающих материалов, оценить их преимущества и недостатки. Обосновать целесообразность применения синтетических костьзамещающих материалов, что позволяет уменьшить использование собственной и трупной кости в качестве остеотропного материала. Рассмотреть перспективы будущего синтетических материалов в реабилитации стоматологических больных.
Аутогенный костный материал
Аутогенный материал (собственная кость) обладает хорошо выраженными остеоиндуктивными свойствами. В то же время этот материал подвержен очень быстрой резорбции. При использовании его для заполнения костного дефекта или реконструкции альвеолярного отростка через полгода, как правило, 50% материала резорбируется остеокластами.
Забор собственной кости, довольно часто, сопровождается различными осложнениями: повреждением сосудов или нервов, образованием гематом или развитием воспалительных процессов. Следует помнить, что это всегда дополнительная операция, достаточно травматичная для пациента. Нужно также упомянуть и о том, что зачастую собственная кость резорбируется быстрее, чем наступает её интеграция и реконструкция дефекта [1].
Забор костного материала из внутриротовых участков часто приводит к инфицированию этих зон из-за присутствия в полости рта бактерий (Lambrecht et al. 2006) [17]. Мировые литературные источники убедительно отмечают, что при заборе собственной кости из подбородочной области в 20% случаев наступает парестезия, т.е. потеря чувствительности этой области.
Аллогенный костьзамещающий материал
Этот материал получают из кости другого человека. Его называют еще «трупная кость» или «деминерализованный лиофилизированный костный трансплантат». При использовании этого вида остеотропных материалов всегда существует определенная этическая проблема, связанная с согласием пациента на применение такого материала.
Костный аллотрансплантат характеризуется медленной остеоинтеграцией, показывает невысокий остеоиндуктивный потенциал и не участвует в остеогенезе, поскольку не содержит живых клеточных компонентов.
Его использование не исключает риск передачи различных заболеваний бактериальной или вирусной этиологии (гепатит В, С или ВИЧ ) от донора к реципиенту из-за реакции гистологической несовместимости и развития хронического гранулематозного воспаления [9].
Эти материалы производятся не из человеческой кости. Основным источником получения ксеногенных материалов являются кости крупного рогатого скота (бычьи кости): (Bio-Oss, Cerabone, SmartBone). Иногда применяются кости свиньи (OsteoBiol -MP3, The Graft) или конские кости (Bioteck).
Костная матрица подвергается химической и физической обработке. Согласно инструкции производителя ответная реакция организма и передача заболеваний полностью исключены.
Однако, как контраргумент декларациям производителя, имеющиеся литературные источники, указывают на то, что даже в обработанной кости могут оставаться протеиновые фракции донорского организма (Schwartz et al. 2000) [24]. Опубликованы также предостережения относительно возможности прионового инфицирования. (Васильев А.В. Котова-Лапоминская Н.В. 2004) [1].
Ксеногенные костьзамещающие материалы достаточно хорошо научно и клинически изучены. Установлено, что они остаются включенными во вновь сформированную костную матрицу. Резорбция материала, содержащего бычью кость, не отмечалась даже через 11 лет. Исследователи отмечали крайне низкий уровень резорбции этих материалов в организме человека (Mordenfeld et al.2010) [18].
Ксеногенные материалы обладают как остеоиндуктивными, так и остеокондуктивными свойствами. Они не резорбируются полностью в организме и всегда требуют использования защитной мембраны.
Синтетические костьзамещающие материалы
На протяжении последних 30 лет были разработаны и внедрены в клиническую стоматологическую практику различные синтетические костьзамещающие материалы. Для заполнения костных дефектов используются такие искусственные костьзамещающие материалы как: Cerasorb (Germany); SintoGraft (USA); Maxresorb, BoneSigma BCP (USA); easygraft ®, easy-graft® CRYSTAL (Switzerland) и многие другие.
Читайте также: Чем можно удалить суперклей с ткани
Идеальные синтетические костьзамещающие материалы должны быть биологически совместимыми, проявлять минимальную фиброзную реакцию и поддерживать формирование новой кости.
С точки зрения механической прочности синтетические костьзамещающие материалы должны иметь прочность близкую к прочности заменяемой кортикальной и губчатой костей.
Эти требования достигаются в том случае, когда модуль эластичности материала совпадает с модулем эластичности собственной кости. В таком случае есть возможность предотвратить возникновение стрессовых ситуаций, обеспечить адекватную прочность и предотвратить усталостные растрескивания имплантата при циклической нагрузке.
Синтетические материалы, которые демонстрируют некоторые из этих качеств, являются композициями соединений кальция, фосфора, кремния и алюминия.
Две группы материалов, в основе которых содержатся силикатные смеси, способны вступать в непосредственный контакт с костной тканью. Это – биоактивное стекло и стеклоиономеры.
Биоактивное стекло – это твердый, монолитный (непористый) материал, который впервые был описан еще в 1970-х годах. Биоактивное стекло состоит из окиси натрия, окиси кальция, пентоксида фосфора и диоксида кремния. Диоксид кремния, известный под названием «кремнезем», является основным весовым компонентом.
Изменяя соотношения окиси натрия, кальция и двуокиси кремния, можно создавать такие формы биостекол, которые будут более или менее растворимыми в организме (растворимость, главным образом, определяется содержанием окиси натрия) [11, 12].
Биоактивное стекло обладает как остеоинтегративными, так и остеокондуктивными свойствами. Механически прочное соединение между биоактивным стеклом и костной тканью образуется в результате того, что при контакте с жидкостью костной среды или раны, на поверхности биоактивного стекла формируется слой геля насыщенного кремнием. В среде этого геля, ионы Ca2+ и (PO4) 2вступают в реакцию, образуя кристаллы гидроксиапатита (НА) очень похожие на НА костной ткани, в результате чего наступает прочное соединение. [10,12].
Блоки из биоактивного стекла очень трудно просверлить или придать им какую либо форму. Они весьма хрупкие и часто ломаются при механической обработке. Следовательно, их очень сложно фиксировать к костной ткани.
Использование биоактивного стекла в виде гранул допускается в качестве наполнителя костного дефекта только в тех зонах, где не присутствует нагрузка. Следовательно, по сравнению с другими упомянутыми в статье материалами, данный материал не демонстрирует никаких преимуществ. Наоборот, многие материалы резорбируются быстрее чем НА, что обеспечивает более раннюю реставрацию костного дефекта [20]. Более успешное использование биоактивного стекла отмечается при его нанесении на поверхность имплантата, для увеличения остеоинтеграции титанового имплантата [23].
Разновидностью биоактивного стекла является биоактивная керамика
Биоактивная керамика имеет более высокую прочность и лучшие механические свойства по сравнению с биоактивным стеклом, однако оба эти материала имеют низкую прочность на излом по сравнению с кортикальной пластинкой костной ткани. Они хрупкие и склонны к переломам, особенно при действии циклических нагрузок, что в значительной степени сужает область их применения в стоматологии.
Стеклоиономерные цементы были впервые представлены для использования в стоматологии в 1971 г., когда потребовался цемент способный работать во влажной среде. Один из таких цементов, предназначенных для замещения костных дефектов, описывался в работе [16].
Порошок этого цемента, представляющий собой измельченное стекло, содержащее оксиды кальция, алюминия, кремния и фторсиликаты, с диаметром частиц от 0.001 до 0.1 мм, смешивался с поликарбоксилатной кислотой. В результате этого смешения происходила экзотермическая реакция с выделением CO2, приводящая к образованию пористой пасты цемента.
Паста твердела приблизительно через 5 минут после чего цемент становился нерастворимым в воде. Однако, на протяжении всего времени отверждения, такой цемент должен быть защищен от попадания влаги, которая растворяет не успевшую прореагировать поликарбоксилатную (полиакриловую) кислоту.
Стеклоиономерный цемент – биологически совместимый материал, обладающий свойствами остеоинтеграции, что в, некотором смысле, делает его подобным биоактивному стеклу. Его пористость придает цементу остеокондуктивные свойства, способствуя прорастанию костной ткани.
Следует отметить, что стеклоиономерный цемент не резорбируется и не замещается на собственную кость.
Материал для замещения дефектов костной ткани
Достигнутые успехи в разработке ксеногенных и синтетических биоматериалов, обладающих остеокондуктивными и остеоиндуктивными свойствами, позволяют уменьшить применение методов ауто- и аллотрансплантации, обладающих определенным рядом недостатков. Забор аутокости может сопровождаться осложнениями: повреждением сосудов и нервов, образованием гематом, развитием инфекционно-воспалительного процесса. Кроме того, аутотрансплантаты часто резорбируются быстрее, чем происходит их интеграция и восстановление костного дефекта [22]. Костные аллоимплантаты, напротив, отличаются медленной остеоинтеграцией, при их использовании имеется риск передачи от донора к реципиенту различных заболеваний бактериальной или вирусной этиологии, возможностью развития реакции гистонесовместимости и хронического гранулемотозного воспаления [1].
Читайте также: Как сшить коврик в ванную своими руками из ткани
Основным недостатком синтетических материалов, в отличие от ауто-, алло- и некоторых ксеноматериалов, является отсутствие у них свойств остеоиндукции. Термином «остеоиндукция» некоторые авторы определяют способность остеопластического материала вызывать эктопическое (вне кости) формирование костной ткани de novo. Однако, по нашему мнению, к остеоиндукции костезамещающих материалов следует относить их способность стимулировать регенерацию костной ткани. Такая биологическая активность может быть обусловлена включением в состав костезамещающего материала сульфатированных гликозаминогликанов (Остеопласт-К), аминокислот (PepGen-15), факторов роста и морфогенов (InductOs® (UK), Osigraft® (UK)). Способность вызывать эктопический остеогенез характерна для ряда представителей семейства костных морофогенетических белков (от англ. bone morfogenic protein — BMP) и впервые была продемонстрирована M.R. Urist в 1965 г. [28]. Основное индуцирующее действие BMP включает влияние их на пролиферацию остеобластов, на дифферецировку мезенхимальных клеток предшественников в остеогенном направлении и на ангиогенез.
Развития новых медицинских технологий позволяет использовать достижения материаловедения, биохимии, молекулярной биологии и генной инженерии при создании новых комбинированных синтетичесих материалов для костной пластики. Модификация их объёмной структуру, приближающая их строение к костной ткани, включение в состав цитокинов: факторов роста и морфогенов, позволяет наделять синтетические материалы, кроме остеокондуктивных, остеоиндуктивными свойствами. Это также позволяет контролировать скорость биодеградации, приближая её к кинетике остеогенеза.
В настоящем обзоре предпринята попытка обобщить и проанализировать результаты исследований и разработок в области синтетических костезамещающих материалов.
Синтетические резорбируемые материалы были предназначены в качестве недорогой замены естественному гидроксиапатиту (ГАП) [27]. К синтетическим имплантационным материалам относят: различные виды кальций-фосфатной керамики: трикальцийфосфат (Vitlokit, Ceramit), биостекло (PerioGlass, BioGran), гидроксиапатит (ГАП) и его композиции с коллагеном, сульфатированными гликозаминогликанами-кератан и хондроитин-сульфатом (Биоимплантат), а также с сульфатом (Haspet) и с фосфатом кальция [2; 4]. В настоящее время на основе ГАП создано множество различных форм в виде пористых наноструктурированных кальций-фосфатных керамик, костных цементов, биогибридных и биокомпозитных соединений.
Синтетические материалы на основе искусственного ГАП по ряду характеристик превосходят ГАП животного происхождения. Они исключают возможность переноса инфекционных заболеваний, позволяют регулировать скорость резорбции за счет особенностей синтеза, различных замещений фосфатных и гидроксильных групп в структуре апатита. Это характеризует синтетический ГАП как перспективный остеопластический материал для использования во всех областях костно-пластической хирургии.
Синтетические препараты различаются по степени диссоциации и рассасыванию, которые в большей степени связаны с количеством образуемой межклеточной жидкости и деятельности остеокластов. К материалам с низкой степенью диссоциации и резорбции можно отнести некоторые препараты синтетического гранулированного гидроксиапатита, биостекла и биоситалла [5].
Из резорбируемых, растворимых и имеющих высокую степень диссоциации, а, следовательно, и высокую степень метаболической активности, материалов можно назвать трикальций-фосфат и сульфат кальция [6].
Кальций-фосфатные материалы (трикальций-фосфат) относятся к биоактивным материалам, способствующим образованию на их поверхности новообразованной кости и формированию с последней прочных химических связей. Эти биоматериалы способствуют прикреплению, пролиферации, миграции и фенотипической экспрессии костных клеток, что приводит к аппозиционному росту кости на поверхности имплантата. Так же они способны адсорбировать протеины стимулирующие функцию остеокластов и остеобластов и ингибирующие функцию конкурирующих клеток, в частности фибробластов, ответственных за формирование соединительной ткани [18; 26; 12].
Несмотря на указанные положительные биологические свойства, недостатком большинства кальций-фосфатных материалов является слабая механическая прочность, медленная резорбция в тканях организма.
Керамические материалы. Синтетический ГАП используется в виде непористой (нерезорбируемой) и пористой (резорбируемой) керамики [10; 19; 24].
Непористая керамика (Osteograph/LD, PermaRidg, Calcitte, Interpore 200, Durapatite) в течение длительного времени в организме как бы «замуровывается костью». Непосредственно в области занятой материалом остеогенеза не происходит.
Пористая ГАП керамика (Osteograph/LD, PHA Interpore 200, Алгипор) является остеокондуктором, то есть проводником регенерата, который прорастает имплантат. Одной из применяемой форм пористой керамики является ее гранулят. В основе биологических эффектов при имплантации гранулята высокотемпературной керамики (Osteograph/LD, OsteoGen, Гидроксиапол) в костные дефекты лежит прорастание соединительной ткани, и в ее составе остеогенных элементов, в межгранулярные простанства. Это послужило основанием для использования данного материала в качестве покрытия эндопротезов, конструкций для остеосинтеза, дентальных имплантатов. Наиболее интенсивно процесс протекает преимущественно у поверхности конгломератов частиц ГАП вблизи источников остеогенного ростка (стенки костного дефекта).
Читайте также: Что делать когда много ткани
Наноразмерный ГАП. В костной ткани ГАП присутствует в виде наноразмерных кристаллов, поэтому следующим этапом развития материалов на основе ФК и ГАП стало создание нанокристаллов. Нанокристаллы ФК обладают двумя важнейшими для физиологии костной ткани качествами: они находятся в динамическом равновесии с биологическим окружением в цикле ремоделирования (резорбции/минерализации) и проявляют высокий уровень механических свойств. Нанокристаллический ГАП (нано-ГАП) обладает повышенной способностью адсорбировать белки, необходимые для жизнедеятельности клеток, а также избирательностью по отношению к функциям клеток, образующих костную и фиброзную ткани [16]. В работе на модели гетеротопической имплантации нано-гидроксиапатита показано, что некоторые кальций-фосфатные материалы обладают остеоиндуктивными свойствами, которые в значительной степени определяются геометрической характеристикой материала [20; 21].
Проведенные ранее доклинические испытания показали, что наноструктурный ГА (нано-ГА), полученный при температурах до 60 °С, обладает существенно большей способностью стимулировать репаративный остеогенез по сравнению с поликристаллическим (высокотемпературным) аналогом [8; 3]. Нанокристаллы биологического ГА придают кости твердость и жесткость, в то время как волокна коллагена обеспечивают эластичность и высокую трещиностойкость, а также необходимую скорость резорбции и обновления костной ткани [29; 11].
Комбинированные синтетические материалы. Использование в клинической практике мелкодисперстных форм материала неудобно. Поэтому создаются комбинированные формы, состоящие из полимерной матрицы (на основе полилактида, полиоксибутирата, полигликолевой кислоты и их комбинаций) и нано-гидроксиапатита как наполнителя. Появление композитов из синтетического ГАП в форме порошков, гранул и гелей в сочетании с полисахаридами хитозаном, альгинатом [7], гиалуроновой кислотой, белком коллагеном, пептидами [14], эмбриональными стволовыми клетками [30], лекарственными и другими препаратами расширило возможности восстановления патологически измененных минерализованных тканей [13; 15; 17].
Костные морфогенетические белки (BMP) являются истинными остеоиндукторами и способны вызывать образование эктопической костной ткани. Сочетание BMP с биоматериалами, которые могут доставлять белок, продемонстрировали максимальный терапевтический эффект BMP. Гидроксиапатит с его остеокондуктивными свойствами является наилучшим носителем для BMP. Как показали исследования Rohanizadeh, лучшим способом их сочетания, является включение BMP в состав гидроксиапатита [23].
Показано, что кальций-фосфатная паста (α-BSM; ETEX, Cambridge, MA) в сочетании с rhBMP-2 ускоряет заживление костной ткани и приводит к восстановлению механических свойств, эквивалентных нормальной кости. В экспериментальной модели, на малоберцовой кости приматов, при остеотомии, применение пасты rhBMP-2/α-BSM ускоряло заживление кости примерно на 40 % [25].
CAD/CAM технологии активно используются в стоматологии для изготовления вкладок, виниров, коронок и мостовидных коронок при восстановлении зубов. Для возмещения костных дефектов челюстей и лицевых костей сложной формы, компьютерное моделирование и изготовление имплантатов является перспективной технологией.
В экспериментальной работе на животных [9] продемонстрированы интересные результаты по восстановлению костных дефектов альвеолярного отростка ВЧ с использованием керамических имплантов, изготовленных методом объемной печати. Имплантаты имели равномерную микроархитектонику с величиной пор 120±20 µм и по форме полностью соответствовали сформированным дефектам. Остеоиндуктивные свойства были обусловлены введением в состав имплантата BMP-2. Полученные в работе данные показывают, что керамические материалы на основе ГАП, изготовленные методами объемного прототипирования в комбинации с морфогенетическими белками, имеют реальные возможности применения для костной тканевой инженерии, с основным преимуществом — полностью настраиваемой 3D-структурой и формой.
Таким образом, анализ доступной литературы позволяет сделать вывод, что разработка новых костнопластических материалов преследует 2 основные цели — оптимизация регенерации костной ткани и восстановление костных дефектов. Очевидно, что в перспективе для восстановления костных дефектов методами 3D прототипирования, будут создаваться индивидуальные искусственные керамические имплантаты на основе ГАП, содержащие комбинацию факторов роста и морфогенов, например, BMP и VEGF. Возможно, именно такой подход позволит эффективно осуществлять биоинженерию костной ткани в различных клинических ситуациях.
Гажва Светлана Иосифовна, д-р мед. наук, профессор, заведующая кафедрой стоматологии ФПКВ ГБОУ ВПО «Нижегородская государственная медицинская академия», г. Нижний Новгород.
Казарина Лариса Николаевна, д-р мед. наук, профессор, заведующая кафедрой пропедевтической стоматологии ФПКВ ГБОУ ВПО «Нижегородская государственная медицинская академия», г. Нижний Новгород.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом